Локальные вычислительные сети

Первоначально компьютерные сети были небольшими и объединяли до десяти компьютеров и один принтер. Технология ограничивала размеры сети, в том числе количество компьютеров в сети и ее физическую длину. Так, в начале 80-х годов самый популярный тип сетей состоял не более чем из 30 компьютеров, а длина кабеля такой сети не превышала 185 м (600 футов). Подобные сети располагались в пределах одного этажа здания или небольшой организации. Для маленьких фирм подобная конфигурация подходит и сегодня. Эти сети называются локальными вычислительными сетями [ЛВС (LAN)].

 Магнитооптические накопители

Видимо, одними из самых жизнеспособных устройств, предназначенных для хранения данных, являются накопители, использующие магнитооптические диски. Здесь были объединены достижения магнитной и оптической технологий. Новые устройства сочетают портативность флоппи-диска, среднюю скорость работы винчестера, надежность оптического компакт-диска и емкость, сравнимую с кассетой хорошего стримера.

Такие накопители записывают данные, представленные в виде колебаний магнитною поля, на соответствующий носитель при помощи дополнительного магнитного поля (поля смещения) и луча лазера. Поверхность носителя покрыта магнитным материалом (пленкой), который при обычной температуре (из-за высокой коэрцитивной силы) не может быть перемагничен приложенным к нему полем смещения. При нагревании, достигнув температуры Кюри (примерно 145 градусов), коэрцитивная сила ослабевает и соответствующий участок перемагничивается должным образом. Следует заметить, что запись обычно идет в два приема: стирание информации и затем новая запись. Правда, уже появились новые модели накопителей, осуществляющих запись за один проход. Считывание данных с носителя происходит только при помощи луча лазера, но уже меньшей мощности. Здесь, как правило, используется эффект Керра, заключающийся в изменении плоскости поляризации отраженного луча в зависимости от направления магнитного поля.

У магнитооптического диска в отличие от компакт-диска обычно используются обе стороны. Емкость одного двустороннего носителя может достигать от сотен мегабайт до нескольких гигабайт, причем его геометрические размеры соответствуют флоппи-дискам 3,5 или 5,25 дюйма. Формат нижнего уровня магнитооптического носителя определяют жесткое разбиение на сектора, наличие таблиц дефектных секторов и число логических дисков. Наиболее распространенным стандартом такого формата служит спецификация ISO-ANSI. Диски размером 3,5 дюйма стандартизованы в большей степени и имеют один жесткий формат секторов — 512 байт. Количество секторов постоянно и равно 25.
Согласно стандартам ISO/ECMA 3,5- дюймовый диск может хранить 128 или 230 Мбайт. Разумеется, для повышения емкости носителей существуют и специальные системные форматы. Например, на 3,5-дюймовый диск уже записывают до 650 Мбайт, а на 5,25-дюймовый — почти 3 Гбайта. В качестве примера можно привести магнитооптический накопитель Apex фирмы Pinnacle Micro, который использует 5,25-дюймовый картридж емкостью 4,6 Гбайта. За счет использования однопроходной записи время поиска составляет около 17,5 мс.

Кстати, производительность магнитооптических накопителей существенно повышается за счет использования встроенной кэшпамяти, объем которой в ряде устройств может достигать нескольких мегабайт.

Так как между головкой и поверхностью самого носителя нет непосредственного контакта, вероятность механического повреждения весьма мала. Стоит также отметить, что магнитооптические носители в отличие от обычных магнитных значительно меньше подвержены влиянию внешних электромагнитных полей. По разным оценкам, срок гарантированного хранения информации на магнитооптических носителях колеблется от 30 до 50 лет и более.

Для работы с библиотеками оптических дисков выпускают так называемые дисковые автоматы (jukeboxes), которые обеспечивают автоматический поиск и подачу требуемых дисков. Вместимость такого устройства может составлять от нескольких единиц до сотен оптических дисков общей емкостью 1 Гбайт. Электромеханический привод управляется от компьютера и позволяет выбирать, переворачивать и устанавливать диски в пределах нескольких секунд.

Наиболее известными производителями магнитооптических устройств являются фирмы Fujitsu, Maxoptix, Ricoh и другие.

 Матричные печатающие устройства

Большинство принтеров, работающих (и продаваемых) сейчас с IBM PC-совместимыми компьютерами в нашей стране, могут быть причислены к группе последовательных

ударных матричных печатающих устройств (impact dot matrix). Вертикальный ряд (два ряда) игл, или молоточков, "вколачивает" краситель с ленты прямо в бумагу, формируя последовательно символ за символом. Такое засилье (рис. 22) "игольчатых" вполне объясняется приемлемым качеством их печати, невысокой ценой расходных материалов (красящей ленты) и используемой бумаги, да и самих устройств. Кстати, для этих принтеров обычно возможно использование как форматной, так и рулонной бумаги. Головка принтера может быть оснащена 9, 18 или 24 иголками. Существуют модели принтеров как с широкой (формат A3), так и с узкой (формат А4) кареткой (рис. 23). Высокое качество печати достигается в режимах NLQ (Near Letter Quality) для 9-игольчатых (почти

машинописное) и LQ (Letter Quality) — для 24-игольчатых принтеров. Как правило, современные принтеры оснащены резидентными или загружаемыми масштабируемыми шрифтами. Скорость печати для высокопроизводительных моделей может составлять до 380 знаков в секунду. На рынке последовательных ударных матричных принтеров лидируют фирмы Epson, Star Micronics, Okidata, Mannesman Tally, Samsung, Panasonic.     Рис. 26 Подача бумаги является важным фактором, влияющим на выбор матричного принтера. Хотя основным преимуществом моделей матричных устройств является возможность печати на рулонной бумаге, следует обращать внимание на наличие в комплекте автоматического загрузчика для форматных листов. Стоит отметить, что в современных моделях могут одновременно использоваться несколько способов подачи бумаги.

К недостаткам ударных принтеров прежде всего относится высокий уровень шума. Фирмы—производители устройств, использующих эту технологию, применяют различные технические решения, чтобы по возможности уменьшить шум. Так, фирма Panasonic разработала малошумящий принтер со специальным расположением иголок в печатающей головке.

Методы доступа в кольцевых сетях

В кольцевых локальных сетях используются, как правило, методы детерминированного доступа. Применение методов случайного доступа не имеет смысла при последовательной передаче информации, которой характеризуются кольцевые локальные сети, так как при этом отсутствует возможность прослушивания всего кольца для выявления возможных столкновений сообщений.

Основными методами доступа в локальных сетях с кольцевой структурой являются: метод множественного доступа с введением задержки, метод циклического доступа (тактируемый) и метод маркерного доступа.

Рассмотрим метод доступа с введением задержки. В данном случае информация между абонентскими системами передается в виде относительно коротких кадров данных фиксированной длины. Название метода связано с тем, что очередной кадр данных из абонентской системы "вклинивается" в поток кадров, поступающих по каналу передачи данных. В результате чего последующие кадры данных задерживаются на время передачи одного кадра. Взаимодействие абонентской системы с передающей средой осуществляется с помощью блока доступа, в состав которого входят: приемник, линия задержки, переключатель, передатчик и буферный регистр. Приемник наряду с восстановлением физических параметров входных сигналов осуществляет предварительный анализ поступающих кадров данных. Если кадр адресован данной абонентской системе, то его копия заносится в буферный регистр. Сам же кадр данных через переключатель (Р) передается в передатчик, в котором к нему добавляется служебная информация о состоянии абонентской системы и результате приема данных. Линия задержки служит для хранения информации, поступающей из сети, на время передачи кадра данных из абонентской системы: В регистре признака формируется информация о состоянии абонентской системы и принятом кадре данных.

Основным преимуществом доступа с введением задержки является минимальное время доступа к передающей среде, предельное значение которого равно времени передачи одного кадра. Так как каждая, абонентская система может задержать передачу на время одного кадра, то максимальное время между передачами кадров одной абонентской системой определяется произведением числа абонентских систем на длительность передачи кадра.
Таким образом, данный способ объединяет преимущества случайного и детерминированного методов доступа, т. к. при низкой нагрузке обеспечивает минимальное время доступа и передачи кадров, а при высокой — гарантированное время доступа. Однако при большом числе абонентов и высокой интенсивности обращения их к передающей среде существенно увеличивается время передачи кадров.

К недостаткам рассмотренного метода относится также блокировка абонентской системы, которая может иметь место в случае искажения или потери кадра данных, переданного этой системой.

Метод тактируемого доступа предполагает (рис. 47) разбиение временного цикла кольца, то есть времени распространения сигнала по кольцу канала связи, на множество равных временных интервалов — тактов (временных сегментов), в "каждом из которых помещается по одному кадру. Таким образом, одновременно может передаваться несколько кадров. Количество и длина кадров определяется с учетом основных характеристик сети. Абонентская система может передавать информацию в кольцо только при прохождении через ее блок доступа свободного кадра. Свободные кадры отличаются от занятых значением специального контрольного бита своего заголовка. Единица указывает на то, что данный кадр занят, а ноль — свободен. Например, в сети, представленной на рис. 46 общее число тактов равно десяти. В текущий момент времени через первую абонентскую систему проходит занятый кадр, и она не может передавать информацию. Через вторую абонентскую систему проходит свободный кадр — абонентская система может передавать информацию, однако из-за отсутствия информации эта абонентская система не передает информацию. И, наконец, третья абонентская система, распознав свободный кадр, меняет значение контрольного бита на единицу и заполняет текущий кадр данных.

Адресат, получив кадр данных, копирует его. Освобождение (обнуление) кадров может осуществляться как — получателем, так и отправителем информации.

В настоящее время известно много разновидностей данного метода доступа, но все они предполагают разбиение сообщений на пакеты с последующим формированием кадра, и эффективны при обмене короткими сообщениями и высокой интенсивности обмена сообщениями.

	Абонентская система 1
		Абонентская система 3

		занятие кадра и передача данных
	Аб. система 2
		передача разрешена

Рис.47. Организация тактируемого доступа

При обмене большими сообщениями переменной длины предпочтительным является маркерный доступ. Основное отличие маркерного доступа в кольцевой сети от маркерного доступа в сети с шинной топологией заключается в том, что кадры маркера и данных передаются в одном направлении и по физическому кольцу. Передача информации в произвольном направлении, как это происходит в сетях с шинной топологией, исключается. Абонентская система может начать передачу только после получения маркера от предыдущей абонентской системы. Получив маркер, станция посылает в кольцо кадр данных. Передача маркера следующей абонентской системе может осуществляться после возвращения переданного кадра данных, либо сразу же после его передачи. Во втором случае говорят о режиме раннего освобождения маркера. При этом каждый последующий кадр данных оказывается помещенным между предыдущим кадром и маркером. Удаление принятых кадров, как правило, осуществляется передающей абонентской системой. В сетях с маркерным доступом необходимо контролировать потерю маркера и удаление полученных пакетов. Более подробно этот вопрос будет рассмотрен ниже.

Методы доступа в сетях с шинной топологией

В магистральных локальных сетях используются методы как случайного, так и детерминированного доступа. Появление методов случайного доступа связывают с радиосетью ALOHA, где впервые был использован метод случайного доступа. Абонентские системы передавали информацию в эфир независимо друг от друга. В случае одновременной передачи сообщений несколькими станциями происходило ''столкновение" сообщений, подобный конфликт приводил к искажению информации. Во избежание приема ошибочной информации кадр данных дополняется контрольной суммой. Принимающая абонентская система выдает подтверждение только при приеме кадров с правильной контрольной суммой, остальные кадры игнорируются. Это позволяет передающей станции контролировать передачу кадров. Вероятность "столкновения" сообщений зависит от интенсивности обращения абонентских систем к передающей среде и существенно возрастает при ее увеличении. Снижение коэффициента полезного использования моноканала при возрастании количества "столкновений", как следствие повышения интенсивности запросов на доступ, определило поиск возможностей совершенствования метода случайного доступа. Одним из способов снижения конфликтов является предварительное прослушивание передающей среды, и начало передачи только при наличии свободного канала. Такой режим передачи получил название множественного доступа с контролем несущей частоты (МДКН). Однако и в этом случае из-за конечного времени распространения сигналов невозможно полностью избежать конфликтов. Остановимся более подробно на этом вопросе. На рис. 45 представлен процесс столкновения пакетов.

В начальный момент времени Т1-абонентская система В начала передавать информацию. В этот же момент времени абонентская система А прослушивает передающую среду, однако, из-за конечного времени распространения сигнала ей не удается обнаружить сообщение, посылаемое абонентской системой В. В следующий момент времени (Т2) абонентская система А начинает передавать информацию, в результате чего в момент времени ТЗ сообщения "благополучно" сталкиваются. Дальнейшая передача сообщений теряет смысл.

 Методы хранения информации

Для начала вспомним некоторые основы магнитной записи. Цифровая информация (в виде нулей и единиц) преобразуется в переменный электрический ток, который, как известно, сопровождается переменным магнитным полем, и уже этот переменный ток подается на магнитную головку записи-чтения. Поскольку магнитное покрытие диска представляет собой множество мельчайших областей спонтанной намагниченности (доменов), то под воздействием внешнего магнитного поля, создаваемого головкой, собственные магнитные поля доменов ориентируются в соответствии с его направлением. После снятия внешнего поля на поверхности дисков в результате записи информации остаются зоны остаточной намагниченности в форме концентрических окружностей — это и есть магнитные дорожки. Совокупность таких дорожек, расположенных друг над другом на всех рабочих поверхностях дисков, называют цилиндром.- Все концентрические дорожки разбиты на дуги — так называемые сектора, причем сектор является одной из основных единиц записи информации на жесткий диск.

Понятно, что производители винчестеров заинтересованы в размещении как можно большего числа битов на одной дорожке. Здесь им на помощь приходят различные методы кодирования и записи данных. Наиболее распространенным когда то был способ магнитной записи — модифицированной частотной модуляции (MFM, Modified Frequency Modulation). В соответствии с ним в простейшем случае каждому изменению знака намагниченности на противоположный присваивалось значение бита данных. Другие методы записи, использующие так называемое групповое RLL-кодирование (Run Length Limited), оказались более эффективными по плотности записи и в настоящее время практически вытеснили метод MFM.

По понятным причинам, все дорожки магнитного диска на внешних цилиндрах больше, чем на внутренних. Соответственно при одинаковом количестве секторов на каждой из них плотность записи на внутренних дорожках должна быть больше, чем на внешних. Этот процесс называется прекомпенсацией. В современных винчестерах стал использоваться метод зонно-секционной записи, когда все пространство диска делится на несколько зон, причем во внешних зонах секторов размещается больше, чем во внутренних;.
Это, в частности, позволило увеличить емкость жестких дисков примерно на 30%.

В современных винчестерах существует несколько алгоритмов для автоматического замещения дефектных секторов, появляющихся в процессе эксплуатации диска. Один из них заключается в том, что на каждом цилиндре имеется несколько резервных секторов и для каждой зоны — несколько запасных цилиндров. В этом случае сбойный сектор или дорожка могут заменяться на резервные путем переадресации, то есть записи в служебные поля адреса свободного сектора или дорожки. Второй метод использует создание специальной таблицы перекодировки. В этом случае обращения к сбойным секторам вообще не происходит, так как они исключаются из поля доступных секторов диска.

В некоторых винчестерах информация о заголовках секторов (ID или Header) хранится не на поверхности диска, а в специальной полупроводниковой памяти. Благодаря этому повышается полезная емкость диска и, кроме того, по утверждению фирмы IBM (которая и является автором этого нововведения), увеличивается скорость обмена данными и уменьшается время доступа.

Многоточечное беспроводное соединение

Компонент, называемый беспроводным мостом (wireless bridge), помогает установить связь между зданиями без помощи кабеля. Если обычный мост служит людям для перехода с одного берега реки на другой, то беспроводной мост прокладывает для данных путь между двумя зданиями. Мост AIRLAN/Bridge Plus, например, использует технологию радиопередачи в рассеянном спектре для создания магистрали, соединяющей две; ЛВС. Расстояние между ними, в зависимости от условий, может достигать 5 км (3 мили). Стоимость такого устройства не покажется чрезмерной, поскольку арендовать линии связи больше не надо.

х годов, когда ЛВС признали

В конце 70- х годов, когда ЛВС признали наконец в качестве удобного инструмента для ведения бизнеса

Существенный вклад в развитие стандартов по локальным компьютерным сетям внес Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE) США. В 1980 году в рамках этого института был образован комитет 802, задачей которого является разработка стандартов для локальных компьютерных сетей. Для подготовки проектов отдельных стандартов в рамках комитета 802 были созданы отдельные подкомитеты 802.1-802.9, номера которых и были присвоены соответствующим стандартам. Стандарты серии IEEE-802. определяют терминологию, архитектуру и протоколы локальных компьютерных сетей двух нижних уровней Эталонной модели взаимодействия открытых систем. В результате был выпущен Project 802, названный в соответствии с годом и месяцем своего издания (1980 год, февраль).

Хотя публикация стандартов IEEE опередила публикацию стандартов ISO, оба проекта велись приблизительно в одно время и при полном обмене информацией, что и привело к рождению двух совместимых моделей.

Project 802 установил стандарты для физических компонентов сети — интерфейсных плат и кабельной системы, — с которыми имеют дело Физический и Канальный уровни модели OSI.

Итак, эти стандарты, называемые 802-спецификациями, распространяются на:

•     платы сетевых адаптеров;

•     компоненты глобальных вычислительных сетей;

•     компоненты сетей, при построении которых используют коаксиальный кабель и витую пару.

На рис. 48 приведено соответствие уровней Эталонных моделей глобальной сети и локальной сети стандарта IEEE-802. Основное отличие заключается в том, что физический и канальный уровни разбиты на подуровни. В то же время верхние уровни не специфицируются. Это объясняется тем, что физический и канальный уровни собственно и определяют локальную сеть. Физический уровень включает подуровни: ПФС — передачи физических сигналов; МСС —модуля сопряжения со средой; ИМС — интерфейса с модулем сопряжения.
Подобное разделение физического уровня на подуровни способствует унификации передающей среды. Далее, канальный уровень разбит на два подуровня: УЛК — управления логическим каналом и УДС — управления доступом к физической среде. В то же время функции управления логическим каналом одинаковы для различных; локальных сетей, поэтому их целесообразно рассматривать отдельно от функций управления доступом к передающей среде, что и реализовано в данном стандарте.

Уровни эталонной модели- OSI                Уровни модели локальной сети IEEE

Прикладной	Верхние уровни
Представительный
Сеансовый
Транспортный
Сетевой
Канальный	УЛК
УДС
Физический	ПФС
ИМС
МСС

Рис 48 Соответствие модели глобальной и локальной сетей, где: УЛК - управление логическим каналом; УДС - управление доступом к среде; ПФС - передача физических сигналов; ИМС-интерфейс с модулем сопряжения; МСС- модуль сопряжения со средой.

802-спецификации определяют способы, в соответствии с которыми платы сетевых адаптеров осуществляют доступ к физической среде и передают по ней данные. Сюда относятся соединение, поддержка и разъединение сетевых устройств.

 Модель OSI

В 1978 году International Standards Organization (ISO) выпустила набор спецификаций, описывающих архитектуру сети с неоднородными устройствами. Исходный документ относился к открытым системам, чтобы все они могли использовать одинаковые протоколы и стандарты для обмена информацией.

В 1984 году ISO выпустила новую версию своей модели, названную эталонной моделью взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection reference model, OSI). Версия 1984 года стала международным стандартом: ее спецификации используют производители при разработке сетевых продуктов, она лежит в основе построения различных сетей.

Эта модель — широко распространенный метод описания сетевых сред. Являясь многоуровневой системой, она отражает взаимодействие программного и аппаратного обеспечения при осуществлении сеанса связи, а также помогает решить разнообразные проблемы.

В модели OSI сетевые функции распределены между семью уровнями. Каждому уровню соответствуют различные сетевые операции, оборудование и протоколы.

7. Прикладной уровень;

6. Представительский уровень;

5. Сеансовый уровень;

4. Транспортный уровень;

3. Сетевой уровень;

2. Канальный уровень;

1. Физический уровень.

Выше представлена многоуровневая архитектура модели OSI. На каждом уровне выполняются определенные сетевые функции, которые взаимодействуют с функциями соседних уровней, лежащих выше и ниже. Например, Сеансовый уровень должен взаимодействовать только с Представительским и Транспортным уровнями и т. д. Все эти функций подробно описаны.

Нижние уровни — 1-й и 2-й — определяют физическую среду передачи данных и сопутствующие задачи (такие, как передача битов данных через плату сетевого адаптера и кабель). Самые верхние уровни определяют, каким способом осуществляется доступ приложений к услугам связи. Чем выше уровень, тем более сложную задачу он решает.

Каждый уровень предоставляет несколько услуг (т.е. выполняет несколько операций), которые готовят данные для доставки по сети на другой компьютер. Уровни отделяются друг от друга границами — интерфейсами. Все запросы от одного уровня к другому передаются через интерфейс. Каждый уровень при выполнении своих функций использует услуги нижележащего уровня.

 Модемы

Для связи удаленных компьютеров друг с другом могут использоваться обычные телефонные сети, которые в той или иной степени покрывают территории большинства государств. Единственной проблемой в этом случае является преобразование цифровых (дискретных) сигналов, с которыми оперирует компьютер, в аналоговые (непрерывные). Как известно, до недавнего времени широкое распространение имели именно аналоговые телефонные сети, например PSTN (Public Switchable Telephone Network) - коммутируемая

Динамик

DIP-переключатели Громкость Разъем PHONE Разъем LINE

Перемычки для разделения (системных ресурсов)

Рис. 25 Модем

телефонная сеть общего назначения. Здесь на помощь компьютерам приходят модемы. Итак, модемом называется устройство, способное осуществлять модуляцию и демодуляцию информационных сигналов (МОдуляция-ДЕМодуляция) (рис. 25). Собственно работа модулятора модема заключается в том, что поток битов из компьютера преобразуется в аналоговые сигналы, пригодные для передачи по телефонному каналу связи. Понятно, что демодулятор модема выполняет обратную задачу.

Таким образом, данные, подлежащие передаче, преобразуются в аналоговый сигнал модулятором модема "передающего" компьютера. Принимающий модем, находящийся на противоположном конце линии, "слушает" передаваемый сигнал и преобразует его обратно в цифровой при помощи демодулятора. После того, как эта работа выполнена, информация может передаваться в принимающий компьютер. Режим работы, когда передача данных осуществляется только в одном направлении, называется полудуплексным (half duplex). Вообще говоря, оба компьютера, как правило, могут одновременно обмениваться информацией в обе стороны. Этот режим работы называется полным дуплексом, или просто дуплексом (full duplex).

Можно выделить некоторые основные этапы работы модема. Первым делом модем принимает данные, поступающие из компьютера, после чего разделяет их на исполняемые команды и информацию, которую необходимо передать в линию.
Сразу же заметим, что большинство современных модемов используют так называемый набор команд AT (сокращение от слова ATtention). Поскольку этот набор команд был в свое время разработан фирмой Hayes Microcomputer Product, то использующие его модемы называют Hayes-совместимыми. Сегодня они составляют подавляющее большинство среди подобных устройств.

Кроме собственно модуляции и демодуляции сигналов модемы могут выполнять сжатие и декомпрессию пересылаемой информации, а также заниматься поиском и исправлением ошибок, возникнувших в процессе передачи данных по линиям связи.

Модемы могут отличаться друг от друга, например, по методам модуляции. Ведь, как известно, у одного и того же сигнала, определенного во времени, можно модулировать амплитуду, частоту и фазу. Наиболее известны три метода модуляции: FSK (Frequency Shift Keying), PSK (Phase Shift Keying) и QAM (Quadrature Amplitude Modulation). FSK является разновидностью частотной модуляции (ЧМ), a PSK - фазовой (ФМ). В методе квадратурной амплитудной модуляций QAM одновременно изменяются фаза и амплитуда сигнала, что позволяет передавать большее количество информации. В современных модемах используется так называемая модуляция с решетчатым кодированием TCQAM (Trellis Coded QAM), или просто ТСМ. Теперь о скорости передачи.

Одной из основных характеристик модема является скорость модуляции (modulation speed), которая определяет физическую скорость передачи данных без учета исправления ошибок и сжатия данных. Единицей измерения этого параметра является количество бит в секунду (бит/с). Скорость модуляции не следует путать с пропускной способностью канала (throughput), которая может быть меньше или больше скорости модуляции в зависимости от качества линии, применения коррекции ошибок и сжатия передаваемых данных. Поскольку скорость передачи данных может измеряться как в битах в секунду, так и в бодах, то следует отметить, что это, вообще говоря, — единицы разные. Дело в том, что бод определяет число изменений (модуляций) сигнала в секунду.Однако в зависимости от способа модуляции каждое изменение сигнала может соответствовать не только одному, но и большему количеству бит.

 MPEG-плейеры

MPEG (Motion Picture Experts Group) — это стандарт, предложенный одноименной организацией для сжатия цифрового видео и звука. Так называемые MPEG-плейеры позволяют воспроизводить последовательности видеоизображений (фильмы), записанные на компакт-дисках, с качеством VHS. Иногда графический адаптер и MPEG-декодер интегрируются на одной плате. Альтернативой MPEG-картам часто выступает программный вариант реализации алгоритма декодирования.

 Мыши и трекболы

Трекболы и мышки являются манипуляторными устройствами ввода информации в компьютер. Разумеется, полностью заменить клавиатуру они не могут. Первую компьютерную мышку создал молодой талантливый ученый Дуглас Энджелбарт. Произошло это событие в 1963 году в Стэндфордском исследовательском центре. Первый трекбол (trackball) появился значительно позже на фирме Logitech.

Не секрет, что своей популярностью мышка обязана главным образом громадному спросу на прикладные графические программные системы, а также широкому распространению графического интерфейса пользователя, чему в немалой степени способствует экспансия Windows. Мышка делает очень удобным манипулирование такими широко распространенными в графических пакетах объектами, как окна, меню, кнопки, пиктограммы и т.д. При работе в такой среде мышь по сравнению с клавиатурой существенно облегчает работу, делая ее более простой и эффективной.

Теперь немного о мышиной "анатомии". Как известно, первая мышка каталась на двух колесиках, которые были связаны с осями переменных резисторов. Перемещение такой мышки было прямо пропорционально изменению сопротивления переменных резисторов. В дальнейшем конструкция мышки претерпела значительные изменения. Колесики (ролики) были перенесены внутрь корпуса, а с поверхностью стал соприкасаться тяжелый обрезиненный или просто сделанный из твердой резины шарик сравнительно большого диаметра. Ось вращения одного из роликов вертикальна, а другого — горизонтальна. Ролики, прижатые к поверхности шарика, установлены на оси с датчиками, с помощью которых и определяются направление и скорость перемещения мыши. (рис. 20).

Рис.20 Вид роликов мыши.

Некоторое время в качестве датчиков использовались непроводящие диски с нанесенными печатным способом контактами, которые поочередно могли соприкасаться с одним неподвижным контактом. При таком внутреннем устройстве мышка была практически полностью механической. Но, как известно, механика — вещь не очень надежная, поэтому впоследствии (да и до сих пор) подавляющее число компьютерных мышек стали использовать оптико-механический принцип кодирования перемещения.
На смену механическим шифраторам пришли оптопары: светодиод-фотодиод, или фоторезистор, а в некоторых случаях даже фототранзистор. Такая пара располагается по разные стороны диска с прорезями. Порядок, в котором освещаются фоточувствительные элементы, определяет направление перемещения мыши, а частота приходящих от них импульсов — скорость.

Сегодня не все мышки используют одинаковый способ перемещения. Например, мышка Honeywell имеет уникальный запатентованный дизайн: вместо обычного шара ей "приделаны" две "ножки". Эти "ножки" являются частью X-Y-механизма оптико-механического шифратора.

Но существуют и полностью оптические мышки. В отличие от своих механических и оптико-механических собратьев, которым требуется лишь приемлемый механический контакт с поверхностью, оптическая мышка работает без него. Вообще говоря, полностью оптическая мышка является более сложным и дорогим устройством, однако она обладает и существенными достоинствами. Во-первых, в ней отсутствуют движущиеся части, что делает эту мышку практически безотказной, и, во-вторых, как правило, такая мышка обеспечивает более "тонкое" управление курсором на экране. Наиболее распространены мышки либо с двумя, либо с тремя кнопками. Мышки от Microsoft, начиная со своей "зеленоглазой" прародительницы (первая мышка имела две кнопки зеленого цвета), имеют только две кнопки, а вот мышки "породы" Mouse System — три.

В настоящее время можно выделить три основных способа подключения мышки: через последовательный порт (интерфейс RS-232C, EIA-232D), USB, PS/2. Связи между мышкой и компьютером обеспечивает уже упоминаемая микросхема контроллера 8042.

Беспроводные (cordless) мышки используют передачу данных в радио- или инфракрасном диапазоне волн на расстоянии 1,5—2 м. Во избежание интерференции каждая такая мышь может использовать не один (до четырех) частотный канал. Широкого распространения эти устройства пока не получили. Таким образом, наибольший интерес для массового пользователя представляют только те мышки, которые подключаются через последовательный порт компьютера.



Драйвер определяет направление движения мышки: вверх или вниз, вправо или влево. Это вполне возможно сделать, поскольку 8-разрядные приращения перемещений кодируются в дополнительном коде, и соответственно максимальный диапазон перемещения составляет от -128 до +127 единиц. С учетом скорости передачи за каждые 20 мс мышка может передвигаться на 0,62 дюйма. Эта величина вполне достаточна даже при быстром перемещении мышки по коврику. Следует отметить, что, например, некоторые мышки Logitech, использующие последовательный интерфейс, работают на скорости 2400 бит/с.

Современные мышки от Microsoft и Logitech имеют оптимальное аппаратное разрешение 400 cpi. Когда иные фирмы декларируют разрешение на уровне 1800 cpi, то речь, видимо, идет о программном разрешении, то есть о значении, которое может обеспечить соответствующий драйвер.

Не все мышки используют формат передачи, предложенный фирмой Microsoft. Например, трехклавишные мышки Mouse System и совместимые с ними передают данные в 5-байтном формате. Это сообщение включает в себя информацию о состоянии третьей клавиши, а также о прошлом и текущем положении мышки, благодаря чему можно вычислить скорость ее передвижения. Разница в форматах приводит к тому, что драйвер от одной мышки не работает с другой.

Набор микросхем, или chipset

В современных компьютерах, конечно, давно не используются, например, отдельные чипы контроллеров, однако все их функции реализованы в микросхемах системных и периферийных контроллеров (это уже сверхбольшие интегральные схемы), которые, тем не менее, обеспечивают со своими предшественниками полную программную совместимость. Да и вообще, системная плата современного компьютера отличается от аналогичной платы более ранней модели в первую очередь тем, что большое количество микросхем средней степени интеграции (MSI, Medium-Scale Integration), на которых были выполнены основные функциональные узлы компьютера, теперь заменены на несколько (одну—четыре) сверхбольших интегральных схем (VLSI, Very Large-Scale Integration). Такие VLSI, реализующие функции прежних микросхем MSI, называются набором микросхем, или chipset (чипсет). Преимущество применения таких наборов очевидно. Во-первых, они занимают меньше места, во-вторых, потребляют меньший ток и, в-третьих, гораздо надежнее (ведь в общем случае надежность устройства обратно пропорциональна количеству входящих в него микросхем).

Наиболее известные наборы микросхем выпускают сегодня такие компании, как Intel, AMD, UMC, SiS, хотя ими, конечно, дело не ограничивается.

В большинство наборов тем или иным образом входит периферийный контроллер, например микросхема 82С206 или ей подобная. Обычно такая микросхема функционально содержит два контроллера прерываний типа 8259, два контроллера прямого доступа к памяти типа 8237, таймер типа 8254, часы реального времени и более 100 байт CMOS RAM для хранения системной конфигурации.

Поскольку основной задачей чипсета является обеспечение бесперебойной и быстрой работы процессора с периферийными устройствами, вся его структура посвящена выполнению именно этой задачи.

Накопители

	5.25" Bays

 

Для хранения программ и данных в IBM PC-совместимых персональных компьютерах используют различного рода накопители, общая емкость которых, как правило, в сотни или тысячи раз превосходит емкость оперативной памяти. По отношению к компьютеру накопители могут быть внешними и встраиваемыми (внутренними). В первом случае такие устройства имеют собственный корпус и источник питания, что экономит пространство внутри корпуса компьютера и уменьшает нагрузку на его блок питания. Встраиваемые накопители крепятся в специальных монтажных отсеках (drive bays) и позволяют создавать компактные           системы, которые совмещают в системном блоке все  необходимые устройства (рис.12).

Сам накопитель можно рассматривать как совокупность носителя и соответствующего привода. В связи с этим различают накопители со сменным и несменным носителями. В зависимости от типа носителя все накопители можно подразделить на накопители на магнитной ленте и дисковые накопители. Накопители на магнитной ленте в свою очередь бывают двух видов: накопители на полудюймовых девятидорожечных лентах, работающие в старт-стопном режиме, и стримеры, работающие в потоковом ('инерционном) режиме. Накопители на магнитной ленте называют также устройствами последовательного доступа, так как обратиться к удаленным фрагментам данных можно только после считывания менее удаленных. Накопители же на дисках, как правило, являются устройствами произвольного доступа, поскольку интересующие данные могут быть получены без обязательного прочтения им предшествующих.

По способу записи и чтения информации на носитель дисковые накопители можно подразделить на магнитные, оптические и магнитооптические. Среди дисковых накопителей можно выделить:

накопители на флоппи-дисках;

накопители на флоптических дисках;

накопители на несменных жестких дисках (винчестеры);

накопители на сменных жестких дисках;

накопители на сменных гибких дисках, использующие эффект Бернулли;

накопители на магнитооптических дисках;

накопители на оптических дисках с однократной записью и

многократным чтением WORM (Write Once Read Many);

накопители на оптических компакт-дисках CD-ROM (Compact

Disk ROM).

Сразу отметим, что мир накопителей со сменным носителем гораздо шире и многообразнее остальных. Появились сменные винчестеры, которые чаще всего используются в портативных компьютерах. Такое многообразие сменных накопителей связано, видимо, с несколькими причинами. Во-первых, каждый пользователь персонального компьютера знает: какова бы ни была емкость винчестера, наступит время, когда он заполнится до отказа. С другой стороны, чисто теоретически емкость накопителя со сменным носителем, вообще говоря, не имеет предела. Во-вторых, довольно остро стоит проблема архивирования и резервного копирования накапливаемой информации. Исторически она решается с использованием сменных носителей. В-третьих, поскольку IBM PC-совместимый компьютер все-таки персональный, то довольно часто требуется определенный уровень защиты используемых данных. Разумеется, сменные носители — наиболее подходящее средство для обеспечения секретности при хранении частной, служебной и иной закрытой информации. В-четвертых, в ряде случаев с помощью сменных носителей вопрос переноса нескольких единиц, десятков и даже сотен мегабайт данных решается довольно просто. Это, конечно, далеко не все имеющиеся причины, и при желании к ним можно добавить еще несколько.

 Накопители, использующие эффект Бернулли

Специалисты американской фирмы Iomega нашли красивое решение для минимизации расстояния между магнитным слоем носителя и головкой записи-считывания. Они использовали для регулирования этого расстояния известное соотношение Бернулли: давление на поверхность, создаваемое потоком движущейся жидкости или газа, зависит от скорости этого потока. Причем чем быстрее движется газ или (жидкость), тем меньше давление на поверхность, то есть подъемная сила. Внешне новый носитель данных — Bernoulli Cartridge — выглядит как увеличенная до 5,25 дюйма обычная 3,5-дюймовая дискета. Движение воздуха в системе привод-носитель создается благодаря быстрому вращению диска в накопителе. Неподвижный гибкий диск с магнитным носителем прогибается под тяжестью собственного веса и, поскольку он расположен ниже головки, отдаляется от нее. При оптимальной скорости вращения магнитный слой носителя и головку разделяет крошечная прослойка воздуха (три миллионных миллиметра). Головка "летит" над рабочей поверхностью носителя, и, как следствие, отсутствует ее износ. При снижении количества оборотов (например, из-за отключения электропитания), ударах и вибрациях расстояние между поверхностью магнитного носителя и универсальной головкой автоматически увеличивается.

Первые модели накопителей Bernulli были выпущены фирмой Iomega в 1986 году. Тогда каждый сменный диск имел емкость всего 20 Мбайт. Сравнительно быстро миновав рубеж в 90 Мбайт, в 1992 году она достигла уже 150 Мбайт. Сегодня же речь идет о сменных удароустойчивых носителях емкостью примерно 1,5 Гбайт. Как и для многих других накопителей, для устройств типа Bernulli имеется несколько вариантов исполнения: встраиваемое, внешнее, с одиночным и сдвоенным приводами. В качестве интерфейса связи между накопителем и компьютером чаще всего используется SCSI. Однако есть варианты, рассчитанные и на интерфейс IDE.

Довольно популярным типом привода, использующим эффект Бернулли, стал накопитель Zip. Вес этого компактного устройства не превышает 400 г. В зависимости от версии к компьютеру оно может подключаться либо через параллельный, либо через SCSI-интерфейс. Причем скорость передачи данных достигает 1,1 Мбайта/с, емкость 3,5-дюймового картриджа составляет от 100 Мбайт, скорость вращения диска — около 3 тысяч оборотов в минуту, а время доступа — около 30 мс.

 Накопители на компакт-дисках

Благодаря малым размерам, большой емкости (до 600 Мбайт) надежности и долговечности компакт-дисков (Compact Disk ROM или CD-ROM) подобные накопители с успехом применяются в качестве устройств внешней памяти. Стоит отметить, что в последнее время CD-ROM используются как стандартное средство для распространения пакетов программ (CD-ROM Edition). Таким образом, накопители на компакт-дисках стали фактически стандартным устройством для персональных компьютеров.

Процесс изготовления самого компакт-диска состоит из нескольких этапов, включающих в себя подготовку информации для мастер - диска (первых образцов), изготовление мастер - диска и матриц, тиражирование компакт-дисков. Закодированная информация наносится на мастер-диск лазерным лучом, который создает на его поверхности микроскопические впадины, разделяемые плоскими участками. Цифровая информация представляется чередованием впадин (неотражающих пятен) и отражающих свет островков. Копии негатива мастер - диска (матрицы) используются для прессования самих компакт-дисков. Тиражируемый компакт-диск состоит из поликарбонатной основы, отражающего и защитных слоев. В качестве отражающей поверхности обычно используется напыленный алюминий. Диаметр такого диска — либо 5,25, либо 3,5 дюйма. В отличие, например, от винчестеров, дорожки которых представляют концентрические окружности, компакт-диск имеет всего одну физическую дорожку в форме непрерывной спирали, идущей от наружного диаметра диска к внутреннему.

Выпускаются устройства, которые позволяют пользователю самостоятельно записывать (или дописывать) специальные компакт-диски. В отличие от обычных данные диски имеют отражающий слой, выполненный из золота. Это так называемые перезаписываемые компакт-диски CD-R (CD-Recordable). Устройства для записи выпускаются фирмами Pinnacle Micro и Ricoh. Читать дописанные CD-ROM можно на обычных приводах компакт-дисков, удовлетворяющих спецификации CD-ROM XA.

Считывание информации с компакт-диска происходит при помощи лазерного луча, который, попадая на отражающий свет островок, отклоняется на фотодетектор, интерпретирующий это как двоичную единицу.
Луч лазера, попадающий во впадину, рассеивается и поглощается — фотодетектор фиксирует двоичный ноль.

Основным стандартом, который определяет логический и файловый форматы записи компакт-дисков, является международная спецификация ISO 9660. Имеется и ряд ее расширений, например CD-ROM ХА. (extended Architecture). Ряд других стандартов, касающихся компакт-дисков, изложен в документах, называемых "книгами". Так, "Белая Книга" (White Book) определяет основные параметры видео СD — компакт-диска, на котором можно было хранить 72 минуты высококачественного видео вместе со стереозвуком.

В то время как все магнитные диски вращаются с постоянным числом оборотов в минуту, то есть с неизменной угловой скоростью (CAV, Constant Angular Velocity), компакт-диск в своем приводе вращается обычно с переменной угловой скоростью, чтобы обеспечить постоянную линейную скорость при чтении (CLV, Constant Linear Velocity). Таким образом, чтение внутренних секторов осуществляется с увеличенным, а наружных — с уменьшенным числом оборотов. Именно этим обуславливается достаточно низкая скорость доступа к данным для компакт-дисков по сравнению, например, с винчестерами. Для различных моделей она колеблется от 50 до 400 мс.

Скорость передачи данных для привода, определяемая скоростью вращения диска и плотностью записанных на нем данных, составляет не менее 150 Кбайт/с. С появлением мощных малогабаритных двигателей предыдущие модели накопителей начали постепенно вытесняться приводами, которые используют технологию увеличения скорости вращения диска в несколько раз, например в 24, 48, 60. В этих случаях скорость передачи достигает 3600, 7200, 9000 Кбайт/с. Коэффициент увеличения скорости не обязательно является целым числом.

Свой резерв создатели компакт-дисков высокой емкости HD-CD (High Density CD) видят в уменьшении длины волны лазера. Этот же параметр во многом связан со скоростью передачи информации.

Назначение платы сетевого адаптера

Платы сетевого адаптера выступают в качестве физического интерфейса между компьютером и средой передачи. Платы вставляются в слоты расширения всех сетевых компьютеров и серверов или интегрируются на материнскую плату.

Для того чтобы обеспечить физическое соединение между компьютером и сетью, к соответствующему разъему или порту, платы подключается сетевой кабель.

Назначение платы сетевого адаптера:

подготовка данных, поступающих от компьютера, к передаче по сетевому кабелю;

передача данных другому компьютеру;

управление потоком данных между компьютером и кабелем.

Плата сетевого адаптера, кроме того, принимает данные из кабеля и переводит их в форму, понятную центральному процессору компьютера.

Плата сетевого адаптера состоит из аппаратной части и встроенных программ, записанных в ПЗУ.

 Некоторые важные параметры

Помимо своих геометрических размеров (форм-фактора) винчестеры да и практически все накопители характеризуются такими параметрами, как емкость, среднее время доступа к данным, скорость передачи данных, среднее время безотказной работы.

Емкость винчестера может указываться как до, так и после форматирования. В последнем случае она, разумеется, несколько меньше. Измеряется емкость в мегабайтах.

Среднее время доступа определяет временной интервал, в течение которого накопитель находит требуемые данные. Это время обычно представляет собой сумму времени, необходимого для позиционирования головок на нужную дорожку и ожидания требуемого сектора. Как правило, эти параметры называют временем поиска и временем латентности. Измеряется данная величина в миллисекундах. Заметим, что среднее время доступа только примерно отражает действительное быстродействие накопителя при работе с тем или иным программным приложением.

Вообще говоря, из-за выполнения процедур термической калибровки и/или коррекции ошибки минимальное и максимальное время доступа может различаться весьма значительно. Как известно, для ряда приложений, в частности связанных с вводом видеоинформации, запись данных должна происходить непрерывно, поэтому обычные винчестеры для этого непригодны, так как при их использовании в передаче информации возможны перерывы, достигающие сотен миллисекунд. Для реализации возможности записи аудио- и видеоинформации фирмой Micropolis впервые была разработана специальная серия жестких дисков AV. Сегодня подобные устройства производят уже несколько компаний, причем выпускаются как специализированные, так и комбинированные AV-диски. В последнем случае винчестеры можно применять как для аудио-видео, так и для работы с обычными данными. Надо сказать, что в обычном режиме работы AV-винчестеров может наблюдаться некоторая потеря производительности. Дело в том, что для данных накопителей наиболее существенным является постоянство скорости передачи данных, а не ее максимальное значение.

Для накопителей могут указываться как внутренняя (от носителя к встроенному; интерфейсу привода), так и внешняя скорость передачи данных (от накопителя к системной, локальной, шине). Последняя величина, разумеется, существенно ниже. В зависимости от типа интерфейса скорость определяется либо в мегабитах, либо в мегабайтах за секунду.

Среднее время безотказной работы MTBF (Mean Time Between Failure) вычисляется обычно как статистическая величина. Берется, допустим, 1000 винчестеров, которые работают по 24 часа в течение месяца. Зная число отказавших за этот месяц винчестеров и общее время работы, определяют MTBF. Таким образом, понятно, как определяется данный параметр для накопителей со временем безотказной работы 200 тысяч часов (то есть более 20 лет).

Новые типы динамической памяти

Стоит начать с того, что за последние десять лет скорость работы микропроцессоров возросла во много раз больше, чем быстродействие оперативной памяти. Так, high-end- компьютеры образца 1984 года (PC/AT) работали с тактовой частотой 10 МГц. Сегодня внутренняя тактовая частота процессоров Pentium достигает, например, 1 ГГц. За этот же период время доступа микросхем оперативной памяти снизилось со 150 всего до 10—5 нс. Причем заметим, что стандартная схемотехника, применяемая в производстве оперативной памяти, не обещает особых изменений и в будущем. Что касается внешней кэш-памяти (подробнее о ней чуть позже), то, во-первых, она достаточно дорогая, а во-вторых, ее использование оказывается эффективным только до тех пор, пока программное приложение не начинает работать с данными, находящимися в разных частях оперативной памяти. Ведь, как известно, основной принцип кэш-памяти заключается в том, что 10— 20% команд или данных будут необходимы в 80—90% случаев. Кроме того, считается справедливым предположение, что если считываются инструкции или набор данных из одного места памяти, то соседние с ними также скоро будут востребованы. Стоит напомнить, что, например, в микросхемах, совместимых с архитектурой Intel, начиная с 486-х процессоров, для доступа к памяти реализован так называемый пакетный (burst) режим. Он заключается в том, что при необходимости чтения одного слова процессор вместе с ним считывает еще три, расположенных рядом. Обычно время пересылки измеряют в тактах и записывают, например, так: 6-3-3-3. Это означает, что если на первую пересылку данных из памяти потребовалось 6 тактов работы процессора, то на каждую последующую — только по 3.

Итак, если процессору 8088 требовалось четыре такта для передачи данных, то современным процессорам — всего один. Например, Pentium, работающий на внутренней тактовой частоте 100 МГц, с внешней кэш-памятью (время доступа 15 нс) мог обеспечить пакетный режим 3-2-2-2. Для обмена с динамической памятью параметры будут в два-три раза хуже, например 7-3-3-3.
Хотя теоретически микропроцессор 486DX2- 66 мог бы реализовать пакетный режим 2-1-1-1, но с обычной динамической памятью (время доступа 70 нс) реальные значения будут на уровне 5-2-2-2.

В настоящее время можно выделить два основных схемотехнических решения, используемых для увеличения быстродействия динамической памяти. Одно из них основано на синхронной работе памяти и процессора, что достигается использованием внутренней конвейерной архитектуры и чередованием адресов. Другое решение предполагает включение в структуру динамической памяти определенного количества быстрой статической памяти, которая в данном случае работает примерно как встроенный кэш.

Синхронная DRAM (Synchronous DRAM, SDRAM) и синхронная графическая RAM (Synchronous Graphics RAM, SGRAM) — еще две популярных вариации на ту же тему. Оба эти типа однопортовые, и поэтому несколько дешевле, чем VRAM или WRAM. Преимущество SDRAM и SGRAM перед обычной DRAM в том, что эти микросхемы памяти используют тот же сигнал таймера, что и CPU. Это означает, что данные микросхемы памяти готовы к передаче данных тогда, когда CPU их ожидает. Подобные микросхемы используют трехступенчатую конвейерную архитектуру и, кроме того, внутренний доступ типа "пинг-понг" к двум блокам памяти с чередованием адресов. Тактирование микросхем осуществляется внешней частотой для микропроцессоров. Современные SDRAM могут работать на тактовых частотах 66, 75, 83,100 и 133 МГц. Пионерами в разработке подобных устройств являются фирмы Samsung и NEC. При использовании других типов памяти CPU требуется больше времени, чтобы убедиться, что микросхема передала данные, а это создает непроизводительные задержки. Стоит отметить, что первый доступ в пакетном режиме выполняется медленнее для микросхем SDRAM, нежели, например, EDRAM. Для последующих трех — все наоборот.

Одним из наиболее быстродействующих типов памяти является RDRAM (Rambus DRAM). Это, наверное, наиболее сильно отличающаяся дизайном память, потребовавшая абсолютно новой архитектуры.


Кроме того, из всех созданных на сегодняшний день технологий эта обладает наибольшим потенциалом по скорости. Однако этот потенциал стоит недешево. RDRAM должна соединяться с CPU через очень специфическую шину, которая не может быть слишком длинной. Тактируемая частотой 250 МГц 9-разрядная RDRAM достигает пиковой скорости передачи 500 Мбайт/с, а 2 ГГц – 4 Гбайт/с. Вообще говоря, Rambus-архитектура состоит из трех частей: Rambus-интерфейса, Rambus-канала и Rambus-микросхем. Вследствие использования высоких тактовых частот серьезные требования предъявляются к печатным платам и соединениям. Подобная память, впервые разработанная американской компанией Rambus, в настоящее время выпускается такими компаниями, как NEC, Fujitsu и Toshiba. Пройдет время, прежде чем мы увидим RDRAM в качестве основной памяти PC. Несмотря на это, Intel обратилась к RDRAM как к решению проблемы нехватки памяти компьютера в недалеком будущем, а так как Intel является основным производителем материнских плат для PC, можно ожидать претворения этой затеи в жизнь.

Стоит отметить, что существуют и другие типы памяти, причем более или менее экзотические. Например, в MDRAM (Multibank DRAM) вся память делится на 10 маленьких банков, время доступа к которым существенно меньше времени доступа к одному большому: 15 не против 50 не. Тем не менее, по оценкам экспертов, в ближайшее время не следует ожидать ухода от массового использования в персональных компьютерах так называемой EDO (Extended Data Out) DRAM или ее разновидности BEDO (Burst EDO) DRAM. Во-первых, она обеспечивает более высокую скорость передачи (особенно в пакетном режиме), а во-вторых, полностью совместима по выводам с современными SIMM-модулями DRAM. В отличие от обычных микросхем DRAM в EDO DRAM добавлен набор регистров-"защелок", благодаря которым данные на выходе могут удерживаться даже в течение следующего запроса к микросхеме. Такого эффекта можно добиться на обыкновенных DRAM только в режиме чередования адресов. Напомним, что в любом обращении к памяти можно выделить три фазы: начало доступа; период, когда данные становятся действительными, и непосредственно передача.


Эти фазы повторяются последовательно для каждой ячейки в считываемой строке. В случае с EDO-памятью временные параметры (а следовательно, и быстродействие) улучшаются за счет исключения циклов ожидания в фазе готовности данных. По некоторым данным, EDO DRAM работает быстрее FPM DRAM примерно на 20—25%. Однако при использовании кэш памяти второго уровня (L2) быстродействие возрастает только на 5%. Стоит отметить, что EDO-память дороже обычных DRAM на 7—10%. Именно поэтому в настоящее время EDO-память рекомендуется использовать в недорогих системах без кэш-памяти, что в данном случае достаточно эффективно. Кроме того, оправдано применение EDO-памяти и в многозадачных системах.

Эта история не имеет конца. Я всего лишь надеюсь дать некоторое представление о том, как выглядит ситуация в настоящий момент. Через несколько лет, без сомнения, перед нами предстанет совершенно иная картина чипов памяти. Можно быть уверенным только в одном, — это будет более быстрая, более дешевая и более вместительная память. Естественно, программы будущего наверняка будут требовать больше места и скорости, чем мы сможем им предоставить.

Общие сведения о принципах работы вычислительных устройств

Важнейший элемент любого компьютера – процессор. Данный элемент в большей степени определяет возможности вычислительной системы и, образно выражаясь, является ее сердцем. Вовсе не обязательно он представляет из себя одну микросхему. В больших вычислительных системах процессор (процессоры) могут занимать пространство, размером не с один шкаф. Например, процессор «Эльбрус», разработанный в Зеленограде и признанный на сегодняшний день совершенством (с точки зрения архитектуры, то есть внутреннего строения) – представляет собой систему довольно больших геометрических размеров. Мы же будем вести речь о микропроцессорах, то есть об устройствах, которые используются, в основном, в персональных компьютерах. Микропроцессор, как правило, представляет собой сверхбольшую интегральную схему, реализованную в одном полупроводниковом кристалле и способную выполнять функции центрального процессора. Степень интеграции определяется размером кристалла и количеством реализованных в нем транзисторов. Зачастую интегральные микросхемы называют чипами (chips).

К обязательным компонентам микропроцессора относятся арифметико – логическое (исполнительное) устройство и блок управления. Они характеризуются скоростью (тактовой частотой), разрядностью или длиной слова (внутренней и внешней), архитектурой и набором команд. Архитектура процессора определяет необходимые регистры, стеки систему адресации а также систему команд и типы обрабатываемых процессором данных. Обычно используются следующие типы данных: бит (один разряд), полубайт (4 бита), байт (8 бит), слово (16 бит), двойное слово (32 бита). Выполняемые процессором команды предусматривают, как правило, арифметические действия, логические операции, передачу управления (условную и безусловную) и перемещение данных (между регистрами, памятью и портами ввода-вывода).

Под конвейерным режимом понимают такой вид обработки, при которой интервал времени, необходимый для выполнения процесса в функциональном узле (например, в арифметико-логическом устройстве) микропроцессора, продолжительнее, чем интервалы, через которые данные могут вводиться в этот узел.
Предполагается, что функциональный узел выполняет процесс в несколько этапов, то есть когда первый этап завершается, результаты передаются на второй этап, на котором используются другие аппаратные средства. Разумеется, что устройство, используемое на первом этапе, оказывается свободным для начала новой обработки данных. Как известно, можно выделить четыре конкретных этапа обработки команды микропроцессора: выборка, декодирование, выполнение и запись результата. Иными словами, в ряде случаев пока команда выполняется, вторая может декодироваться, а третья выбираться.

С внешними устройствами микропроцессор может общаться “благодаря” шинам адреса, данных и управления выведенными на специальные контакты корпуса микросхемы. Стоит отметить, что разрядность внутренних регистров микропроцессора может не совпадать с количеством внешних выводов для линий данных. Иначе говоря, микропроцессор с 32-разрядными регистрами может иметь только 16 внешних линий данных. Объем физически адресуемой процессором памяти однозначно определяется разрядностью внешней шины адреса как 2 в степени N, где N – количество адресных линий.

Рисунок 4 структурная схема вычислительного устройства

Таким образом, структурная схема устройства, выполняющего, например, операции сложения будет выглядеть, как показано на рисунке 4, и состоять из процессора, памяти, шин адреса, данных и управления. При этом возникает необходимость ввода информации и вывода результатов. Это достигается использованием внешних устройств для ввода - вывода информации (например, клавиатуры, монитора).

Одноранговые сети

В одноранговой сети все компьютеры равноправны: нет иерархии среди компьютеров и нет выделенного (dedicated) сервера. Обычно, каждый компьютер функционирует и как клиент, и как сервер — иначе говоря, нет отдельного компьютера, ответственного за всю сеть. Пользователи сами решают, какие данные на своем компьютере сделать доступными по сети.

Оптоволоконный кабель

В оптоволоконном кабеле цифровые данные распространяются по оптическим волокнам в виде модулированных световых импульсов. Это относительно защищенный способ передачи, поскольку при нем не используются электрические сигналы. Следовательно, к оптоволоконному кабелю невозможно подключиться, не разрушая его, и перехватывать данные, от чего не застрахован любой кабель, проводящий электрические сигналы.

Оптоволоконные линии предназначены для передачи больших объемов данных на очень высоких скоростях, поскольку сигнал в них практически не затухает и не искажается.

Строение

Оптическое волокно — чрезвычайно тонкий стеклянный цилиндр, называемый жилой .(core). Он покрыт слоем стекла (оболочкой) с иным, чем у жилы, коэффициентом преломления. Иногда оптоволокно производят из пластика. Пластик проще в монтаже, но он передает световые импульсы на меньшие расстояния по сравнению со стеклянным оптоволокном.

Каждое оптоволокно передает сигналы только в одном направлении, поэтому кабель состоит из двух волокон с самостоятельными коннекторами. Одно из них служит для передачи, а другое — для приема. Жесткость кабеля увеличена покрытием из пластика, а прочность — волокнами из кевлара. Волокна кевлара располагаются между двумя кабелями, заключенными в пластик.

Передача по оптоволоконному кабелю не подвержена электрическим помехам и ведется на чрезвычайно высокой скорости (в настоящее время широко используется скорость в 2000 Мбит/с, получает все большее распространение скорость в 10 Гбит/с и выше). По нему можно передавать световой импульс на многие километры.

Некоторые соображения

Используйте оптоволоконный кабель, если требуется:

•  передавать данные с очень высокой скоростью на большие расстояния по защищенной среде.                                           

Не используйте оптоволоконный кабель, если требуется:

•     построить сеть при ограниченных денежных средствах (примечание: в настоящее время стоимость оптоволоконного кабеля уже сравнима со стоимостью высококачественного медного кабеля);

•     дополнительная подготовка для правильной установки и корректного подключения оптоволоконных сетевых устройств (примечание: хотя на самом деле научиться работать с оптоволокном не так уж сложно).

Основные группы кабелей

На сегодняшний день подавляющая часть компьютерных сетей использует для соединения провода, или кабели. Они выступают в качестве среды передачи сигналов между компьютерами. Существуют различные типы кабелей, которые обеспечивают нормальную работу всевозможных сетей, от малых до больших.

Однако на практике в большинстве сетей применяются только три основные группы кабелей:

•     коаксиальный кабель (coaxial cable);

•     витая пара (twisted pair):

•     неэкранированная (unshielded);

•     экранированная (shielded);

•   оптоволоконный кабель (fiber optic).

Память

Выражаясь языком нашего недавнего классического наследия, процессор, память и устройства ввода-вывода — это "три источника и три составные части" компьютера. Практически все компьютеры используют три вида памяти: оперативную, постоянную и внешнюю.

Оперативная память предназначена для хранения переменной информации, так как допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения микропроцессором вычислительных операций. Таким образом, этот вид памяти обеспечивает режимы записи, считывания и хранения информации. Поскольку в любой момент времени доступ может осуществляться к произвольно выбранной ячейке, то этот вид памяти называют также памятью с произвольной выборкой — RAM (Random Access Memory). Для построения запоминающих устройств типа RAM используют микросхемы статической и динамической памяти.

Постоянная память, где хранится такая информация, которая не должна меняться в ходе выполнения микропроцессором программы, имеет собственное название — ROM (Read Only Memory), которое указывает на то, что обеспечиваются только режимы считывания и хранения. Постоянная память обладает тем преимуществом, что может сохранять информацию и при отключенном питании. Это свойство получило название энергонезависимости. Все микросхемы постоянной памяти по способу занесения в них информации (программированию) делятся на масочные (ROM), программируемые изготовителем, однократно программируемые пользователем (Programmable ROM) и многократно программируемые пользователем (Erasable PROM). Последние в свою очередь подразделяются на стираемые электрически и с помощью ультрафиолетового облучения. К элементам EPROM с электрическим стиранием информации относятся и микросхемы флэш-памяти (flash). От обычных EPROM они отличаются высокой скоростью доступа и быстрым стиранием записанной информации.

Внешняя память реализована обычно на магнитных или оптических носителях.

 Параллельный порт

Поскольку параллельный порт в IBM PC-совместимом компьютере чаще всего используется для подключения принтера, то его называют также принтер - портом. В MS-DOS компьютер работает максимум с тремя параллельными портами, которые имеют логические имена LPT1, LPT2 и LPT3. В адресном пространстве компьютера резервируются базовые адреса этих портов. Для принтерного порта LPT1 предусмотрено аппаратное прерывание IRQ7, а для LPT2 — IRQ5, хотя на практике они обычно не применяются. Установка базовых адресов портов и возможность использования прерываний настраиваются перестановкой перемычек (jumpers) на плате, описание которых приводится в технической документации для конкретного адаптера, либо программно.

Подсоединение кабеля к адаптеру параллельного интерфейса производится через 25-контактный разъем типа D-shell (DB-25), а со стороны принтера используется специальный 36-контактный разъем типа Centronics. Поскольку частота передаваемых сигналов может достигать десятков килогерц, длина таких кабелей обычно не превышает трех метров. "Фирменные" кабели Centronics бывают длиной 6, 8 и 10 футов (примерно 1,8; 2,4 и 3 м соответственно). Часто ошибки и потеря информации при использовании самодельного кабеля связаны именно с его длиной. Следует помнить, что при передаче данных с ТТЛ- уровнями максимальная длина кабеля не должна превышать 2—3 метров. Обычно для сигналов данных и управления в "фирменном" кабеле используются витые пары, а все проводники заключены в общий экран. Увеличение длины кабеля до десяти и более метров возможно только при использовании специальных усилителей сигналов. Основной функцией таких устройств при этом является сохранение временных соотношений сигналов, их уровней и фронтов. Однако для работы с удаленными принтерами целесообразно использовать последовательный интерфейс.

Передача и управление данными

Перед тем как послать данные в сеть, плата сетевого адаптера проводит электронный диалог с принимающей платой, во время которого они «обговаривают»:

•     максимальный размер (блока передаваемых данных);

•     объем данных, передаваемых без подтверждения о получении;

•     интервалы между передачами блоков данных;

•     интервал, в течение которого необходимо послать подтверждение;

•     объем данных, который может принять каждая плата без переполнения буфера;

•     скорость передачи.

Если новой {более сложной и быстрой) плате приходится взаимодействовать со старой (медленной) платой, то они должны найти общую для них обеих скорость передачи. Схемы современных плат сетевого адаптера позволяют им приспособиться к медленной скорости старых плат.

Каждая плата оповещает другую о своих параметрах, принимая «чужие» параметры и подстраиваясь к ним. После того как все детали определены, платы начинают обмен данными.

Передача «точка-точка»

Данный способ передачи несколько выходит за рамки существующего определения сети. Технология передачи «точка-точка» предусматривает обмен данными только между двумя компьютерами, а не между несколькими компьютерами и периферийными устройствами. Дли того: чтобы организовать сеть с беспроводной; передачей, необходимо использовать дополнительные компоненты, такие, как одиночные трансиверы и хост-трансиверы.

 Плоские экраны

Наиболее важными для монитора являются такие параметры, как хорошая "читаемость" изображения, высокая разрешающая способность, быстрая реакция на изменение изображения, низкое энергопотребление, малый вес, простое электронное управление, воспроизведение широкой цветовой гаммы или оттенков серого и, при всем при этом, невысокая стоимость.

За последние несколько лет появился достаточно широкий спектр так называемых плоских экранов, в той или иной степени удовлетворяющих всем перечисленным требованиям. Несомненными преимуществами плоских экранов являются не только их небольшие размеры (по толщине, разумеется) и малый вес, но и очень экономное энергопотребление. Кстати, это очень существенно не только для портативных, но и "зеленых" компьютеров. Плоские дисплеи могут использовать различную технологию, например газоплазменную, электролюминесцентную и жидких кристаллов.

К основным недостаткам газоплазменных дисплеев можно отнести необходимость использования высокого напряжения (около 200 В) и небольшой срок службы. Этот тип дисплеев обеспечивает, как правило, только янтарный цвет экрана. Электролюминесцентные дисплеи хотя и обладают хорошими характеристиками, но достаточно дороги и в основном используются в военной технике. Наиболее распространенный цвет экрана элекролюминесцентных дисплеев — желтый. Последний тип плоских экранов — жидкокристаллические (ЖК). Они составляют сейчас более половины рынка мониторов компьютеров. Хотя технология жидких кристаллов применяется относительно недавно, в ее развитии произошел уже заметный прогресс.

Подготовка данных

Перед тем как послать данные в сеть, плата сетевого адаптера должна перевести их из формы, понятной компьютеру, в форму, в которой они могут передаваться по сетевому кабелю.

Внутри компьютера данные передаются по шинам. Шина — это несколько проводников, расположенных параллельно друг другу. Так как линий несколько, то и биты данных передаются по ним блоками, а не последовательно.

В первых персональных компьютерах IBM использовались 8-разрядные шины: они могли передавать блоки по 8 битов данных. IBM PC/AT® имеет 16-разрядную шину, — это означает, что она способна передавать сразу 16 бит. Большинство современных компьютеров оснащены уже 64-разрядной шиной. Часто говорят, что данные по шине компьютера передаются параллельно (parallel), так как 16 битов или 64 бита движутся параллельно друг другу. Представьте, что 16-разрядная шина — это 16-полосная автострада, по которой рядом (параллельно) едут 16 машин, каждая из которых перевозит один бит.

В сетевом кабеле данные должны перемещаться в виде потока битов. При этом говорят, что происходит последовательная (serial) передача, потому что биты следуют друг за другом. Иными словами, кабель — это дорога с одной полосой. По таким «дорогам» данные в каждый момент времени движутся в одном направлении.

Плата сетевого адаптера принимает параллельные данные и организует их для последовательной, побитовой, передачи. Этот процесс завершается переводом цифровых данных компьютера в электрические и оптические сигналы, передающиеся по сетевым кабелям. Отвечает за это преобразование трансивер (приемопередатчик). Плата сетевого адаптера, помимо преобразования данных, должна указать свое местонахождение, или адрес, чтобы ее могли отличить от остальных плат,

Сетевые адреса (network address) находятся в ведении комитета IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc). Этот комитет закрепляет за каждым производителем плат сетевого адаптера некоторый интервал адресов. Затем каждый производитель записывает в ПЗУ платы ее уникальный сетевой адрес.

При приеме данных от компьютера и подготовке их к передаче по сетевому кабелю плата сетевого адаптера выполняет и другие действия:

1. Компьютер и плата сетевого адаптера должны быть связаны друг с другом, чтобы осуществлять передачу данных от компьютера к плате. Если плата может использовать прямой доступ к памяти, компьютер выделяет ей некоторую область своей памяти.

2. Плата сетевого адаптера запрашивает у компьютера данные.

3. Шина компьютера передает данные из его памяти плате сетевого адаптера.

Часто данные поступают быстрее, чем их способна передать плата сетевого адаптера, поэтому временно они помещаются в буфер.

Понятие компьютерной сети

Самая простая сеть (network) состоит, как минимум, из двух компьютеров, соединенных друг с другом кабелем, что позволяет им обмениваться данными. Все сети (независимо от сложности) основываются именно на этом простом принципе. Хотя идея соединения компьютеров с помощью кабеля не кажется нам особо выдающейся, в свое время она явилась значительным достижением в области коммуникаций.

Рождение компьютерных сетей было вызвано практической потребностью в совместном использовании данных. Персональный компьютер — прекрасный инструмент для создания документов, подготовки таблиц, графических данных и других видов информации, но сам по себе он не позволяет Вам быстро поделиться результатами своей работы с коллегами. Когда не было сетей, приходилось распечатывать каждый документ, чтобы другие пользователи могли работать с ним, или в лучшем случае — копировать информацию на дискеты. При редактировании копий документа несколькими пользователями было очень трудно собрать все изменения в одном документе. Подобная схема работы называется работой в автономной среде.

Рис. 26   Автономная среда

Если бы пользователь, изображенный на рис. 26, подключил свой компьютер к другим, он смог бы работать с их данными и их принтерами. Группа соединенных компьютеров и других устройств называется сетью. А концепция соединенных и совместно использующих ресурсы компьютеров носит название сетевого взаимодействия.

Рис. 27   Простая сеть

Компьютеры, входящие в сеть, могут совместно использовать:

•    данные;

•    сообщения;

•    принтеры;

•    факсимильные аппараты;

•    модемы;

•    другие устройства.

Этот список постоянно пополняется, так как возникают новые способы совместного использования ресурсов.

Понятие открытой системы

При рассмотрении взаимодействия структурных элементов компьютерных сетей вводится понятие "система", под которой подразумевается сервер, абонентская или любая другая система, предоставляющая или потребляющая сетевые ресурсы. В соответствии со стандартом 7498 открытой системой считается система, отвечающая требованиям эталонной модели взаимодействия открытых систем, реализующая стандартный набор услуг и поддерживаемая стандартными протоколами. Соблюдение этих требований обеспечивает возможность взаимодействия открытых систем между собой, несмотря на их технические и логические различия в реализации, что является достаточно существенным фактором построения компьютерных сетей. Открытые системы объединяются с помощью сети передачи данных в открытую компьютерную сеть. Следует подчеркнуть, что модель взаимодействия открытых систем не рассматривает структуру и характеристики физических средств соединения, а только определяет основные требования к ним. Основной же задачей модели взаимодействия открытых систем является описание множества функций, определяющих правила взаимодействия открытых систем. При этом широко используется понятие "процесс", определяемый как динамический объект, реализующий целенаправленный акт обработки информации. Подобная формализация позволяет выделить характерные черты процесса взаимодействия систем, независимо от средств его реализации. Дело в том, что при многопользовательском режиме работы, который характерен для современных компьютеров, выполнение одной и той же программы в. различные моменты времени может осуществляться по-разному. Это зависит от ряда факторов и в первую очередь — от числа задач в системе, порядка их выполнения и предоставляемых им ресурсов системы. Таким образом, программа не может однозначно определять функционирование систем и порядок их взаимодействия, с этой целью и вводится понятие процесса.

Порты ввода-вывода

Подсоединение периферийных устройств, таких, как манипулятор типа мышь, внешний модем или принтер, к персональному компьютеру производится через так называемые устройства сопряжения, или адаптеры, на которых реализованы стандартные или специальные, интерфейсы. Ранее подобные адаптеры были выполнены в виде отдельных плат ввода-вывода — Input-Output (I/O) Card, вставляемых в разъемы расширения на системной плате. Современные системные платы, как правило, интегрируют все необходимые адаптеры.

Итак, взаимодействие периферийного устройства с адаптером происходит через один (возможно, один из двух) интерфейс, определяющий, в частности, тип и "род" (розетка или вилка, female или male) соединителя, уровни и длительность электрических сигналов, протоколы.

На жаргоне, сложившемся у пользователей IBM PC-совместимых компьютеров, стандартные последовательный и параллельный интерфейсы часто называют портами ввода-вывода. Собственно до последнего времени в качестве последовательного стандартного интерфейса используется разновидность RS-232C (Recommended Standard) — ELA-232D (Electrical Industry Association), а в качестве параллельного — Centronics. Порт называют последовательным, когда информационные биты передаются последовательно один за другим, и параллельным, когда несколько бит данных передаются одновременно. Для подключения джойстика служит специальный аналоговый игровой адаптер — Game Adapter. Если несколько адаптеров (последовательного и параллельного портов, приводов флоппи и жестких дисков) конструктивно выполнены на отдельной плате, она называется, как правило, многофункциональной платой ввода-вывода (Multi I/O Card).

Параллельные порты используются обычно для подключения принтера (в ряде случаев плоттера или сканера). Стандартный интерфейс параллельного порта (Centronics) получил свое название по имени американской фирмы—производителя принтеров, предложившей в свое время собственный интерфейс. Сегодня ситуация несколько изменилась, и, например, ряд принтеров использует более производительные интерфейсы, которые, правда, полностью поддерживают и спецификацию Centronics. Но об этом чуть ниже.

Последовательные шины (USB и IEEE )

Шина SCSI обладает многими полезными для нас свойствами. Шина PCI обладает рядом других полезных свойств. Объединяя лучшие черты каждой из шин и используя накопленный ими опыт, инженеры создали интерфейсы, которые по основным параметрам превосходят все предыдущие до них. Эти интерфейсы в настоящее время появляются на рынке.

Одним из них является универсальная последовательная шина (Universal Serial Bus, USB). Другой стандарт во многом аналогичен первому, но оптимизирован для обеспечения более высоких скоростей передачи данных, в настоящее время этот стандарт называется по имени разработавшего его комитета по стандартам, IEEE 1394. (Фирма Apple Computer, участвовавшая в разработке этого стандарта, дала ему более благозвучное имя "Firewire", но они оформили это название в качестве товарного знака и пока никому не позволяют его использовать.)

У этих двух стандартов, возможно, намного больше общего, чем различий.

Прежде всего, оба они — стандарты последовательного интерфейса. Это означает, что за один такт они передают в канал всего один бит информации. Это кажется медленным, пока вы не узнаете, что в самом медленном режиме скорость передачи составляет 1/2 миллиона бит каждую секунду. В самом быстром режиме скорость передачи превышает тысячу миллионов бит в секунду. Даже если в среднем для передачи одного байта потребуется передать примерно 10 бит, такие скорости впечатляют.

Кроме того, к каждой шине можно подключить целый пучок различных периферийных устройств, начиная с клавиатуры, мыши, "интеллектуального" громкоговорителя или "интеллектуального" микрофона и заканчивая видеокамерой, проигрывателем DVD дисков или жестким диском. Фактически, можно подключать все перечисленные и многие другие устройства одновременно.

И вот тут начинают проявляться различия между этими шинами. Шина USB специально разработана для периферийных устройств, характеризующихся низкой или средней скоростями передачи данных. Например, клавиатура должна посылать в PC несколько бит информации в секунду и получать еще меньшие объемы информации обратно.
Она представляет собой типичное медленное устройство. В интеллектуальный (smart) громкоговоритель (под которым я подразумеваю устройство, способное принимать цифровые данные и преобразовывать их в звуки), будет поступать гораздо больше бит в секунду, но нескольких сотен тысяч вполне достаточно. Он представляет собой типичное периферийное устройство со средним быстродействием.

Шина USB позволяет обмениваться информацией с этими устройствами в двух режимах. В медленном режиме она осуществляет связь со скоростью 1,5 Мбит/с. В режиме среднего быстродействия она работает в восемь раз быстрее, и скорость передачи данных составляет 12 Мбит/с. Если преобразовать эти скорости передачи данных в байты в секунду, вы получите величины от 150 до 200 Кб/с (что приблизительно соответствует предельной скорости передачи стандартного последовательного порта) и даже немного выше 1 Мб/с (что близко к предельной скорости передачи параллельного порта в режиме ЕРР).

С другой стороны, интерфейс IEEE 1394 используется для высокоскоростной передачи больших объемов информации. Минимальная скорость передачи данных по этой шине примерно в восемь раз выше, чем максимальная скорость передачи по шине USB. .А предполагаемая максимальная скорость передачи (пока еще достигнутая только в лабораторных условиях, но ожидаемая в настольных системах через несколько лет) может далеко обойти скорость самых быстрых шин SCSI.

Вернемся к тому, что объединяет эти шины: они способны самостоятельно выбирать ширину используемой ими полосы частот. Это означает, что они позволяют любому устройству передавать данные с максимально возможной для него скоростью передачи. Но они оставляют в резерве достаточный запас пропускной способности, чтобы поддерживать обмен данными с другими устройствами на шине. Такое устройство, как видеокамера, которая просто обязана передать все имеющиеся данные на шину, поскольку ей их негде хранить, может запрашивать и должно быть уверено в том, что ему будет предоставлен канал передачи данных достаточной пропускной способности, чтобы успеть передать очередной кадр изображения до того, как будет закончено формирование следующего кадра.Другие устройства, которые могут позволить себе ожидание в.очереди на обслуживание, могут быть вынуждены ждать в этой очереди, но их потребности в скорости передачи данных будут, в конечном счете, учтены, поскольку общая ширина полосы частот (количество бит, передаваемых в секунду) шины достаточна для передачи всей информации.

 Последовательный порт

Последовательный интерфейс используется для большинства периферийных устройств, таких, как плоттер, удаленный принтер, мышь, внешний модем, программатор ПЗУ и т.д. До настоящего времени для последовательной связи IBM PC-совместимых компьютеров используются адаптеры с интерфейсом RS-232С (новая версия — EIA-232D). Описание этого интерфейса было опубликовано Американской промышленной ассоциацией еще в 1969 году. Европейским аналогом RS-232 являются два стандарта, разработанных Международным союзом электросвязи (International Telecommunications Union, ITU): V.24 (механические характеристики) и V28 (электрические характеристики). Хотя первоначально RS-232 был предназначен для связи центральной машины с терминалами, его простота и богатые возможности обеспечили ему более широкое применение. В современном IBM РС -совместимом компьютере, работающем под MS-DOS, может использоваться до четырех последовательных портов, имеющих логические имена соответственно СОМ1, COM2, COM3 и COM4. В адресном пространстве IBM PC-совместимых компьютеров последовательный адаптер занимает восемь последовательных адресов, включая базовый. Однако с помощью определенного "трюка" через эти восемь адресов происходит обращение к 11 регистрам, которые программируются соответствующим образом.

По существу, сердцем последовательного адаптера является микросхема UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) — универсальный асинхронный приемопередатчик.

Основным преимуществом последовательной передачи является возможность пересылки данных на большие расстояния, как правило, не менее 30 метров. Заметим, что в простейшем случае для приема и передачи через последовательный порт необходимы только три сигнала: TxD (Transmit Data — Передача данных), RxD (Receive Data — Прием данных) и, разумеется, GND (Ground — Земля).

В IBM PC-совместимых персональных компьютерах из 25 сигналов, предусмотренных стандартом RS-232, используются в соответствии с EIA только 9: три, описанных выше, и шесть, объединенных общим названием "handshake (квитирующие) сигналы".
При использовании последовательного интерфейса одно из устройств выступает как DTE (Data Terminal Equipment — Оконечное устройство), а другое — как DCE (Data Communication Equipment — Устройство передачи данных). Хотя, вообще говоря, различие между ними состоит только в направлении используемых сигналов. Так, если сигнал для DTE является входным, то для DCE этот же сигнал будет выходным, и наоборот. При обмене данными могут применяться различные протоколы — правила обмена — от простейшего, упомянутого выше и работающего только с тремя сигналами интерфейса, до более сложных, использующих, например, пару квитирующих сигналов RTS-CTS. Различные коммуникационные программы могут применять различные протоколы обмена, поэтому во избежание недоразумений лучше всегда предварительно изучить соответствующие технические описания. Микросхемы UART 8250 и их аналоги рассчитаны на максимальную скорость 38400 бит/с, а 16450 — на 115200 бит/с. Обычно передача данных осуществляется на нескольких дискретных скоростях: 50, 75, 100, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600 и 19 200 бит/с. Для IBM PC-совместимых компьютеров скорость обмена не превышает 9600 бит/с, поскольку встроенные средства BIOS (коммуникационное прерывание 14h) поддерживают скорости только до этого значения. При специальном программировании регистров можно достигнуть скорости обмена до 115 200 бит/с.

Исходная тактовая частота, используемая для UART, стабилизирована кварцевым генератором (например, 18 432 кГц). Из этой частоты формируются все упомянутые частоты. Последовательный порт работает асинхронно — данные передаются без тактового сигнала. Как известно, в этом случае незначительное различие скоростей приема и передачи не влияет на качество обмена. На обеих сторонах должны быть установлены программно (или с помощью переключателей) следующие параметры: скорость передачи данных, количество битов обмена (от 5 до 8), количество стоповых битов (1 или 2), бит контроля (по четности или нечетности, при 8 битах отсутствует).Передача данных начинается с изменения напряжения на линии с низкого уровня до высокого (с -12 В до +12 В) так называемый стартовый бит. Стоповые биты передаются низким уровнем напряжения, обычно -12 В. При использовании контроля по четности соответствующий бит выбирается таким образом, что сумма бит данных и бит контроля представляет собой четное число. Аналогичным образом выполняется контроль по нечетности.

 Преобразователи VGA-TV

Данные устройства транслируют сигнал о цифровом образе VGA-изображения в аналоговый сигнал, пригодный для вывода на телевизионный приемник. Как правило, преобразователи поддерживают стандарты PAL и NTSC и допускают одновременный вывод изображения на телевизоре и мониторе компьютера. Производители обычно предлагают подобные устройства, выполненные либо как внутренняя ISA-карта, либо как внешний блок. В последнем случае нет необходимости в свободном слоте на системной плате компьютера, и, кроме того, такое исполнение позволяет подключать преобразователь к портативному компьютеру. Некоторые из преобразователей предлагают такие возможности, как, например, регулировка изображения программным способом или с помощью регулировок (для внешнего исполнения). Ряд преобразователей позволяет накладывать компьютерную графику на внешний видеосигнал, например для создания титров.

Приложения

Сети создают отличные условия для унификации приложений (например, текстового процессора). Это значит, что на всех компьютерах в сети выполняются приложения одного типа и одной версии. Использование унифицированного приложения упрощает обслуживание сети. Действительно, проще изучить одно приложение, чем пытаться освоить сразу четыре или пять. Удобнее также иметь дело с одной версией приложения и настраивать компьютеры одинаковым образом.

Другое достоинство сетей — наличие программ электронной почты и планирования рабочего дня. Благодаря им менеджеры могут успешно взаимодействовать с многочисленным штатом своих сотрудников или партнеров по бизнесу, а планирование и управление деятельностью всей компании осуществляется гораздо быстрее и эффективнее.

Все сети имеют некоторые общие компоненты, функции и характеристики. В их числе:

•     серверы (servers) — компьютеры, чьи ресурсы доступны сетевым пользователям;

•     клиенты (clients) — компьютеры, осуществляющие доступ к сетевым ресурсам, предоставляемым серверами;

•     среда передачи (media) — способ соединения компьютеров;

•     совместно используемые данные — файлы, предоставляемые серверами по сети;

•     совместно используемые периферийные устройства, например принтеры, библиотеки CD-ROM и т.д., — ресурсы, предоставляемые серверами;

•     ресурсы — файлы, периферийные устройства и другие элементы, используемые в сети.

Несмотря на отмеченное сходство, сети разделяются на два типа:

•    одноранговые (peer-to-peer);

Сеть на основе сервера

•    на основе сервера (server based).

Рис. 28.   Типы сетей

Различия между одноранговыми сетями и сетями на основе сервера принципиальны, поскольку предопределяют разные возможности этих сетей. Выбор типа сети зависит от многих факторов:

•     размера предприятия;

•     необходимой степени безопасности;

•     вида бизнеса;

•     доступности административной поддержки;

•     объема сетевого трафика;

•     потребностей сетевых пользователей;

•     уровня финансирования.

 Принцип работы мониторов

За исключением портативных и LCD, подавляющее большинство современных настольных компьютеров используют мониторы на базе электронно-лучевых трубок (ЭЛТ). Кстати, ЭЛТ была изобретена почти сто лет назад (в 1897 году) немецким ученым Карлом Фердинандом Брауном. Принцип действия мониторов на базе ЭЛТ мало чем изменился с тех пор и заключается в том, что испускаемый электродом (электронной пушкой) пучок электронов, попадая на экран, покрытый люминофором, вызывает его свечение. На пути пучка электронов находятся дополнительные электроды: отклоняющая система, позволяющая изменять направление пучка, и модулятор, регулирующий яркость получаемого изображения. Заметим, что любое текстовое или графическое изображение на экране монитора компьютера (как, впрочем, и телевизора) состоит, вообще говоря, из множества дискретных точек люминофора, называемых также пикселами (pixel — picture element). Поэтому такие дисплеи называют еще растровыми. Электронный луч периодически сканирует весь экран, образуя на нем близкорасположенные строки развертки. Именно этот шаблон и называется растром. По мере движения луча по строкам видеосигнал, подаваемый на модулятор, изменяет яркость определенных пикселов, образуя некоторое видимое изображение. Разрешающая способность монитора определяется числом элементов изображения, которые воспроизводятся по горизонтали и вертикали, например 640x480 или 1024x768 пикселов. Сразу же заметим, что существуют несколько обычных типоразмеров экранов мониторов, используемых для IBM PC-совместимых персональных компьютеров: 9, 14, 15, 17, 19, 20 и 21 дюйм (по диагонали).

Для формирования растра в мониторе используются специальные управляющие сигналы. В цикле сканирования луч движется по зигзагообразной траектории от левого верхнего угла экрана к нижнему правому. Прямой ход луча по горизонтали осуществляется сигналом строчной (горизонтальной), а по вертикали — кадровой (вертикальной) развертки. Перевод луча из крайней правой точки строки в крайнюю левую точку следующей строки (обратный горизонтальный ход луча) и из крайней правой позиции последней строки экрана в крайнюю левую позицию первой строки (вертикальный обратный ход луча) осуществляется специальными сигналами обратного хода.

 Принтеры

Пожалуй, самым популярным устройством вывода информации для IBM PC-совместимых компьютеров является принтер. Делаете вы высококачественные иллюстрации или просто выводите на печать текстовые данные, вам в любом случае требуется устройство, именуемое принтером. Разумеется, в каждом конкретном случае может потребоваться модель печатающего устройства, которая использует соответствующую технологию печати, имеет определенную производительность, разрешающую способность и т.п.

 Проблемы цветопередачи

Цветовую гамму изображения можно расширить только при увеличении количества разрядов, приходящихся на один цвет. Например, стандартный VGA-режим 12h (16 цветов, 640 на 480 точек) использует 4 бита на пиксел (работает метод bit-mapped, 4 битовые плоскости), а режим 13h — 8 бит на пиксел. Количество одновременно воспроизводимых цветов подсчитывается достаточно просто: цифра 2 возводится в степень, равную количеству бит на один пиксел. Теоретически, конечно, объем памяти видеоадаптера можно увеличить до нужных размеров, чтобы использовать требуемое количество разрядов для кодирования цвета, однако в этом случае организация видеопамяти должна соответствовать определенным стандартам. Для персональных компьютеров таких стандартов создано уже несколько. Например, видеоадаптеры поддерживают одновременное воспроизведение 32 768 или 65 536 цветов. Видеорежимы, в которых используются 15 или 16 разрядов для кодирования цвета, называют HighColor. В видеоадаптерах с точной цветопередачей (достаточной даже для обработки профессиональных высококачественных фотографий) применяют 24 -разрядное кодирование цвета, по 8 разрядов на каждую составляющую. В этом случае возможно воспроизведение. 16,8 миллиона цветов одновременно (а точнее, 16 777 216). Такой видеорежим называется TrueColor.

Хотя общий объем памяти и ограничивает количество цветов, которые может создавать видеоадаптер, сам спектр оттенков, получаемых на экране монитора, зависит от используемого RAMDAС. До сих пор мы в основном уделяли внимание разрешающей способности и количеству воспроизводимых цветов, совершенно "забывая" о скорости работы видеоадаптера.

Разр. Спос.		Кол. бит на пиксел		Кол. цветов		Мин. объем видеопамяти, Мб
640x480		4		16		0,25
640x480		8		256		0,50
640x480		16		65 536		1,00
640x480		24		16777216		1,00
800x600		4		16		0,25
800x600		8		256		0,50
800x600		16		65536		1,00
800x600		24		16777216		1,50
1024x768		4		16		0,50
1024x768		8		256		1,00
1024x768		16		65 536		1,50
1024x768		24		16 777216		2,50
1280x1024		4		16		1,00
1280x1024		8		256		1,50
1280x1024		16		65536		2,50
1280x1024		24		16 777 216		4,00
1600x1200		4		16		1,00
1600x1200		8		256		2,00
1600x1200		16		65 536		4,00
1600x1200		24		16777216		6,00

Понятно, что чем большее количество, памяти занимает изображение, тем большее число байт необходимо обрабатывать и пересылать на монитор, причем за время, ограниченное прямым ходом кадровой развертки. Следует также

Таблица 6. Объем видеопамяти в зависимости от разрешения и количества цветов

помнить о том, что сама видеопамять — это ресурс, который разделяют между собой микропроцессор системы и видеоконтроллер.

Стоит обратить внимание, что обычная микросхема фрейм-контроллера является, вообще говоря, достаточно пассивным устройством. Все операции по записи и модификации данных в видеопамяти выполняет сам процессор системы. Следовательно, чем быстрее используемый микропроцессор, тем быстрее начинает работать и видеоподсистема компьютера. Однако и здесь существует определенный предел, который связан с конечным быстродействием системной шины, через которую и происходит обмен между процессором и видеоадаптером. Так как, например, системная шина ISA работает на тактовой частоте 8 МГц, использование локальной шины VL-bus с тактовой частотой 50 МГц позволило ускорить работу примерно в 6 раз.

Однако более логичным выходом из сложившейся ситуации было бы использование более "интеллектуального" видеоконтроллера, который смог бы разгрузить основной процессор от некоторых рутинных операций. Стоит отметить, что в настоящее время видеоадаптеры с фрейм-контроллером производятся. Подавляющее большинство видеоадаптеров базируются на так называемых ускорителях; (акселераторах) или, но реже, на графических сопроцессорах.

Акселераторы и графические сопроцессоры повышают быстродействие видеоподсистемы отчасти благодаря сокращению количества информации, передаваемой по системной шине компьютера. Часть изображения может создаваться этими устройствами уже без загрузки основного процессора. Для этого им посылаются специальные команды или даже небольшие подпрограммы (для сопроцессоров). Собственно акселератор представляет из себя специализированный графический сопроцессор, ориентированный на выполнение строго определенного перечня графических операций с ориентацией на конкретные программы и приложения.Соответственно графический сопроцессор — устройство более универсальное, которое можно запрограммировать на выполнение практически любых графических функций. Таким, образом, основная разница между сопроцессором и акселератором состоит в степени их программируемости. Поскольку эти устройства оптимизированы именно для выполнения графических операций, то и все такие операции они выполняют быстрее, чем универсальный микропроцессор, кроме того, работают они с ним параллельно.

Широкое применение Windows подтолкнуло развитие видеоадаптеров с акселераторами, в первую очередь ориентированными именно на эту программную среду. Большинство микросхем акселераторов берет на себя выполнение операций перемещения фрагментов растрового изображения (битовых блоков) BitBlt, рисования линий и многоугольников, закрашивания определенным цветом указанных многоугольников, а также поддержку аппаратного курсора.

Проблемы электропитания

К сожалению, вопросам, связанным с электропитанием вычислительных систем, не всегда уделяется должное внимание. А имеющаяся статистика свидетельствует, что по причинам связанным со сбоями в электросети, в 75 % случаев происходит потеря информации и в 65% выходит из строя само электронное оборудование. В некоторых случаях убытки от потери информации гораздо больше, нежели затраты на ремонт и замену оборудования, вышедшего из строя.

Важнейшим моментом при оборудовании помещения, в котором будет эксплуатироваться вычислительная техника, является правильная разводка линий электропитания (220 В). Желательно, например, чтобы розетки для подключения персональных компьютеров и периферийных устройств отличались от розеток для подключения мощных бытовых приборов: пылесосов, полотеров и т.п. Все узлы одного компьютера и подключенное к нему периферийное оборудование должны запитываться от одной фазы электросети. Подавляющее большинство компьютерного оборудования имеет разъемы электропитания с тремя (!!!) контактами, третий из которых является заземлением. Ни в коем случае не следует пытаться адаптировать эту трех точку в обычную бытовую розетку электропитания, используемую в России. По всем правилам должны быть выполнены и шины “земля”: радиально с одной общей точкой. Для отключения компьютерного оборудования должен использоваться отдельный щит с автоматами защиты и общим рубильником.

Однако, несмотря на соблюдение всех этих простых правил, значительная часть проблем, связанных с качественным электропитанием вычислительной техники по-прежнему остается. Их можно классифицировать следующим образом:

§                     полное отключение сетевого напряжения;

§                     кратковременные его провалы;

§                     перенапряжение;

§                     гармонические искажения;

§                     электромагнитные и радиочастотные шумы.

Рассмотрим каждую из этих причин более подробно.

Очевидно, что самая простая для понимания неприятность с электропитанием - его полное отключение (blackout). Причины этого, не столь уж редкого события достаточно разнообразны: от форс-мажорных до комических. К нему могут привести, например, как авария на электрической подстанции, замыкание проводов в ураган, так и простое отключение рубильника на распределительном щите, или, ставшие в последнее время “модными”, неожиданные веерные отключения электроэнергии. К сожалению, вне зависимости от причины, вызвавшей отключение питания, последствия этого бывают, как правило, самыми грустными. Это может быть и полная потеря информации (данных) на "электронных" дисках и в кэш-памяти, а при работе в сетевой операционной системе наиболее вероятен крах таблиц размещения файлов на диске, и в самом худшем случае повреждение электронных элементов самого компьютера.

Не так заметны для пользователя кратковременные “провалы” питающего напряжения в течение долей секунды, так называемые “sags” или “brownout”. Причины кратковременного понижения напряжения питающей сети, кроется обычно во включении мощных электрических машин, например лифтов, различных двигателей, электрических чайников и т.п. Этот вид помех является основным. Они существуют всегда, поскольку всегда существует необходимость включения либо выключения какой-либо аппаратуры, но нормальное их значение не должно превышать 3-5 % от напряжения питания. “Плавающее” (подвижное во времени, но не периодическое) понижение питающего напряжения (rolling brownout), вызывается обычно включением сварочных аппаратов, компрессоров, приборов кондиционирования воздуха и, как правило, приводит к потере данных, находящихся в энергонезависимой памяти.


Кратковременные повышения питающего напряжения сети также ничего хорошего для вычислительной техники не несут. Различают два вида подобного нарушения электропитания: кратковременное повышение на доли секунды (surge) и импульсное повышение с амплитудой не менее 100% от номинального, и длительностью 0.5-100 мкс (spike). Такие импульсные помехи вызываются обычно плохим состоянием осветительной аппаратуры, аварией электрических машин или замыканием проводов. Этот вид помех труднее всего обнаружить, и, следовательно, устранить. Вообще, любое повышение питающего напряжения выше допустимого уровня в пике, или по среднеквадратическому значению ведет к повреждению электронных компонентов аппаратуры и преждевременному выходу их из строя. Дело в том, что обычные блоки питания компьютеров и периферийных устройств рассчитаны на работу с питающим напряжением 220-240 В., и не обеспечивают защиты от вышеперечисленных факторов.

Способы минимизация риска возникновения подобных помех:

§                     консультации с фирмами, специализирующимися на данной проблематике (что в России делать пока не принято);

§                     использование различных устройств защиты.

Процессоры-клоны

Больша´я часть рынка процессоров принадлежит фирме AMD, которая начинала с производства процессоров по технологии Intel, хотя и вносила в их конструкцию значительные усовершенствования. К примеру, производство 386-х процессоров-клонов AMD практически все время сопровождалось судебными исками со стороны Intel.

Несмотря на то, что основной упор сегодня фирмы AMD и Cyrix делают на процессоры с умножением частоты, в спектре их продукции по-прежнему присутствуют и "обычные" микросхемы. Указанные фирмы всегда старались наладить выпуск процессоров, отсутствующих в производственной программе Intel, и это им хорошо удавалось. Заслуженной популярностью пользовались, например, процессоры DX и SX, рассчитанные на внешнюю тактовую частоту 40 МГц. Эти изделия по производительности превосходили I486DX-33 и I486SX-33 и предлагались по более низким ценам. То же самое можно сказать о процессорах с умножением частоты, например Am486DX2-80. Кроме того, цены на микроэлектронные изделия AMD и Cyrix обычно были, да и сейчас ниже, чем на аналогичную продукцию Intel. Стоит отметить, что с уходом Intel с рынка 486-х процессоров наряду с изделиями фирм AMD и Cyrix на нем более активно начали предлагаться электронные компоненты, например, от компаний Texas Instruments, SGS-Thomson, UMC.

Вторым после Intel производителем микропроцессоров по праву считается компания AMD. Как уже отмечалось, хотя между изделиями Texas Instruments и AMD довольно много общего, они унаследовали различную технологическую базу. Что касается фирмы AMD, то, став в свое время безусловным лидером на рынке 386-х процессоров, она после ухода Intel практически добилась того же успеха и на рынке 486-х. Так, микропроцессоры Аm486 потребляли меньшую мощность и имели некоторые усовершенствования в архитектуре, касающиеся управления памятью и организации использования ее в мультипроцессорных системах. Am486DX2/DX4 изготавливались с соблюдением технологических норм 0,5 мкм и имели напряжение питания 3,3—3,6 В.
Благодаря этому до тактовой частоты 100 МГц на корпусе микросхемы было достаточно только охлаждающего радиатора, работа с более высокими частотами (включая и 100 МГц) требовала уже микровентилятора. Вообще говоря, микросхемы DX2 и DX4 представляли собой один и тот же процессор с переменным коэффициентом внутреннего умножения частоты. Как правило, значение коэффициента выбиралось соответствующей установкой перемычки на системной плате компьютера. Хотя данный кристалл в отличие от Intel DX4 имел лишь 8-Кбайтный кэш, как показывает практика, по производительности они примерно равны. Производительность Am486DX4-120 находилась на уровне Pentium 75/90. Выпускались также кристаллы, рассчитанные на тактовые частоты 133 и 160 МГц. В конце 1995 года было объявлено о появлении еще одного нового микропроцессора от AMD — Am5x86. Тактовая частота этой микросхемы составляла 133 МГц, а размер встроенной кэш-памяти с обратной записью достигал 16 Кбайт. Кристаллы производились с соблюдением технологических норм 0,35 мкм.

---

---